亚洲首台卧式氢气锅炉运行总结

张希哲

(山东潍坊润丰化工股份有限公司，山东 潍坊 262737)

淄博永大化工有限公司是一家年产18万吨烧碱项目、10万吨环氧丙烷项目企业，其氯碱项目副产大量氢气现基本作放空处理；另一方面厂里蒸发工段每天需要消耗大量干蒸汽来配套环氧丙烷的生产，煤炭的价格持续上涨，伴随着蒸汽价格的飞涨。为解决上述问题根据厂里的实际情况与德州科技合作共同新建1台额定蒸发量为10t/h燃氢气蒸汽锅炉，额定压力为1.25MPa。此项目在2012年3月正式建成，并顺利投产。

项目的运行不仅解决了传统氯碱工业中氢气排空浪费的问题，而且生产的蒸汽减轻了工厂里的生产成本。氢气属于清洁能源对环境没污染。

2003年3月国内第一台立式氢气锅炉在上海氯碱化工股份有限公司正式投产，其采用的是立式锅炉其主要特点是安全性比较高，但缺点明显，制造周期长，热效率低等弊端。经过几年的发展国内氢气锅炉技术逐渐成熟，这期间以卧室氢气锅炉主要代表[1]。

1 卧式锅炉的特点

传统的氢气锅炉采用的是立式炉体，其结构庞大、复杂而且投资过大及安装周期长。针对传统卧式锅炉的缺陷我公司技术人员在与上海德州科技发展有限公司相关技术人员的共同努力下，在亚洲首次尝试氢气锅炉引入卧室炉体的思路。与传统立式氢气锅炉相比卧室锅炉具有以下特点：

(1) 锅炉采用双锅筒D型水管炉布置，水循环布置合理，炉膛火焰充满度好；二回程结构，热风滞留时间长，烟气出口处装有省煤器，热效率可达92%以上，比立式炉高了十多个百分点。

(2)锅炉采用膜式水冷壁和对流管束隔墙结构，密封性高，不产生烟气渗漏，以及炉膛微正压强化燃烧，传热效果好从而减少热损失。

(3)锅炉结构紧凑、体积小，整机安置在底部支架上，不仅整装运输，安装方便，而且对安装基础要求不高。

(4)产生的蒸汽含水率低，品质好。

(5)安装周期短、操作方便省力，维护保养方便且工作量小。

(6)装置比立式炉相对建设投资费用节省20%～30%。

2 卧式D型锅炉的安全性

氢气利用的不安全性其表现为：管道输送中有氧气混入，发生爆炸；氢气的爆炸极限(4.1%～74.2%)广；燃烧速度奇快，易回火发生爆炸；氢气火焰界面温度可达2000℃以上，足于熔化任何金属；若有不完全燃烧或泄露引起炉内外爆炸。

(1) 首先是由完整可靠成熟的氢气燃烧器和自控系统给予了安全的绝对保证。

(2)设计有大容量的燃烧室，适应氢气引燃时的高速性，保证点火燃烧的正常进行，不损害炉膛结构，不发生回火。

(3)在D型炉回程处设计成圆滑过渡，且该膛、对流段、烟道出口设有安全防爆门，保证足够的泄爆面积。

(4) 鼓风机设置为常吹扫状态，开车前、停车后将吹扫时间适当延长，确保炉内可燃气体彻底排出炉外。

3 燃烧器的特点

氢气作为燃料，最大特点是易爆，爆炸浓度极限宽达4.1%～74.2%，因此对锅炉的结构、燃烧器、自控系统的安全要求更高。

3.1 燃烧器结构上保证氢气完全燃烧

设计成特殊的外混燃烧式燃烧盘结构。氢气与助燃空气分两路进入炉膛，分成火焰中心区(燃气充足区)与火焰边缘区(空气充足区)，边混合便燃烧；结构上合理安排火焰的高、中、低温区，就会形成特殊的火焰旋流运动使两气充分混合，完全燃烧，燃烧效率100%，绝对杜绝了剩余氢气的发生和积聚；火焰中心区会产生一个强制性的回流，形成一个中心火焰，也就是建立了长明灯，保证了燃烧不会脱焰、爆炸和回火。

3.2 采用专利技术

采用专利技术燃烧头结构，使氢气燃烧火焰远离燃烧盘。避免了由于燃烧高温熔化燃烧盘金属。

3.3 燃烧器的组成配置具有如下主要安全联锁功能

(1)燃烧器停止燃烧后，风机继续运行，助燃空气继续将炉膛内吹扫，预防残留废气的存在，将其请出炉外。

(2)当鼓风机有故障或助燃空气压力低于或高于设定值时，当氢气压力低于或高于设定值时，当高压、低压切断阀泄漏时，当检测到系统漏气时，当火焰检测器有故障时等等，燃烧器立即连锁，停止工作。

3.4 采用双重控制

采用机械式的程序控制器(不受电信号的干扰)和PLC双重控制，确保了系统的安全。

(1)氢气与助燃空气(略大于)配比一旦调试好后即由机械结构固定并通过伺服马达与连杆机构随负荷变化而同步变化，确保氢气在不同负荷下充分彻底燃烧。

(2)氢气燃烧器在运行过程中、还可与上一级(DCS)的智能化自控仪表对各参数的检测、监视、记录和控制。

(3)有可靠的火焰检测器，监视燃烧与否，否则立即联锁，启动安全处理程序。

4 燃烧器工作流程

燃烧器工作流程见图1。

图1 燃烧器工作流程图

5 监控系统

操作系统采用WINDOWS2000，人机界面系统采用昆仑通态网络版组态软件，人机界面显示的文字为中文或英文。每副画面都能显示过程变量的实时数据和设备的运行状态。画面刷新时间<1s，所有数据刷新时间<1s，操作指令执行时间<1s，操作指令响应时间<2s。调用每副画面点击键盘或鼠标的次数少于3次。

控制系统的所有测点，包括模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出、中间变量和计算值都可以在画面上显示。对于每个测点，还包括显示工程单位，高低限值等。监控系统具备控制方式切换、自动控制、手动控制、画面切换、趋势/图表/报警/记录调入、报表打印及浏览、操作员登陆等操作功能。

对每个操作站所处理的信息、画面限制，以及系统对不同级别的操作设置，通过"密码"等功能来达到。对设置操作，均能设置安全保护措施，具有防止误操作的功能。通过授权，操作员只能观看或操作被授权区域的过程和变量。

报警系统支持以下报警类别：过程值高限、过程值低限、过程值超高限、过程值超低限、偏差值高限、偏差值低限。一旦报警发生，将发生下列情况：系统将根据最近的时间把报警信号及点的名称、报警类型、优先级、点的描述、新值和工程单位记录于事件数据库中；任何在包含该报警点的标准画面和用户定义的画面中，该报警还将闪烁和发出声音报警，按专用的确认键确认。

6 运行情况

本项目在2012年3月27日一次性点火成功，点火成功后由于存在一些问题，随后进行了一系列的调试、整改等工作。在3月29日正式投入使用。再投入使用这段时间经检测锅炉热效率基本达到90%以上，排烟温度在160℃以下，蒸汽含水低于2%。

7 经济效益

项目总投资：350万元。锅炉产能：蒸汽产量10t/h：压力1.25MPa。锅炉按满负荷24小时运转，预计4个月便可回收全部投资。

8 总结

淄博永大化工有限公司增加的氢气锅炉，可以回收利用氯碱装置长期放空的氢气。随着原材料价格上涨，作为回收氢气生产1.25 MPa蒸汽供环氧丙烷装置使用的氢气锅炉，是节能降耗的有效途径。卧室氢气锅炉在我厂的成功运行为全国氯碱厂回收利用氢气进一步提供了好的借鉴。